Acelerando o presente

Como os aceleradores de partículas estão mais próximos do que imaginamos

Por: Maria Clara Rossini (mariaclararossini@usp.br)

Pouco ouvimos falar sobre eles durante a vida escolar. O contato que temos com eles em nosso dia a dia (se é que temos algum) é superficial e pouco esclarecedor. Talvez já tenhamos ouvido falar deles em séries populares como ‘The Flash’ ou filmes como ‘Anjos e Demônios’. Porém, o próprio nome “acelerador de partículas” já nos causa estranhamento. Ainda assim, talvez esse não seja um conceito tão complexo quanto imaginamos.

Experimento CMS, no Grande Colisor de Hádrons, antes de ser fechado. Fonte: CERN

O que são?

Os aceleradores de partículas são grandes estruturas que, por mais simplista que possa parecer a definição, aceleram partículas. Os diversos tipos de aceleradores são construídos com propósitos diferentes e para partículas diferentes. As partículas das quais estamos falando são aquelas que constituem o átomo, como prótons e elétrons. Essas partículas são aceleradas a uma determinada velocidade, a qual pode ser próxima à velocidade da luz (aproximadamente 3×108 m/s no vácuo), com diferentes intuitos, seja colidir essas partículas umas contra as outras, como é o caso do Grande Colisor de Hádrons (LHC), ou mesmo produzir radiação, como é o caso dos aceleradores síncrotron.

Entre os tipos de aceleradores mais comuns estão os cíclotrons, síncrotrons, e aceleradores lineares (ou linax). É possível até que você tivesse esse último tipo dentro de casa! As televisões de tubo podem ser consideradas aceleradores de partículas, pois funcionavam através de tubos de raios catódicos, acelerando elétrons dentro da “cauda” da TV em direção à tela, formando imagens.

Os outros dois tipos têm o formato de anéis e aceleram as partículas em uma trajetória circular, fazendo-as darem várias voltas até atingirem a velocidade desejada. Em aceleradores circulares, são injetadas partículas que, com a ajuda de imãs localizados dentro do acelerador, são concentradas de tal forma a formarem feixes de partículas. Os ímãs também são importantes para desviar esse feixe para que siga acelerando em círculo.

Onde estão?

Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN

O LHC (sigla para “grande colisor de hádrons” em inglês) está localizado em Genebra, na Suíça, mais especificamente na Organização Europeia para Pesquisas Nucleares (CERN), e é atualmente o maior acelerador de partículas do mundo. Com cerca de 27 km de circunferência, o acelerador ficou famoso em 2013 quando anunciou a descoberta do bóson de Higgs, uma espécie de partícula mediadora que permitiu conferir massa às partículas, noticiada por diversos veículos.

O intuito desse acelerador é chocar prótons uns contra os outros em altas energias e velocidades para quebrá-los e então descobrir do que essa partícula é constituída. Esse método é aplicado para que possamos conhecer melhor os princípios básicos do universo, entendendo o estado em que as partículas se encontram desde os primeiros momentos após o big bang.

Túnel onde se localiza o LHC. Fonte: CERN

Diversas teorias são elaboradas por cientistas, as quais devem ser postas à prova nesse acelerador, avaliando se o resultado está dentro do esperado ou não.

Na prática, os prótons são injetados para girarem em um sentido do anel, acelerando aos poucos, e então, quando já se encontram na velocidade adequada, outros prótons são injetados girando no sentido contrário, também adquirindo velocidade. Em certo momento, os dois feixes de prótons são colocados para colidir uns contra os outros, quebrando-os em partículas ainda menores. Os momentos dessas colisões são registrados (como se fossem fotografias) em quatro experimentos diferentes, localizados ao longo do anel do acelerador, chamados ATLAS, CMS, ALICE e LHCb.

Registro de colisão no experimento ATLAS. Fonte: CERN

Sirius, no LNLS

O Sirius, ainda em processo de construção, será o maior acelerador de partículas do Brasil. Localizado na cidade de Campinas, no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, o Sirius será uma das maiores infraestruturas científicas já construídas em território nacional. Esse não será o primeiro acelerador do tipo síncrotron do país; o UVX, localizado no mesmo laboratório, está em funcionamento e é o maior acelerador do Brasil atualmente.

Diferentemente do LHC, esse tipo de acelerador trabalha com elétrons, e não com o intuito de chocá-los, mas sim de acelerá-los para produzir radiação eletromagnética (luz síncrotron). Essa radiação é filtrada em diferentes estações de pesquisa ao entorno do anel, de acordo com que comprimento de onda de se deseja trabalhar. Na luz síncrotron estão contidos esses diferentes comprimentos de onda, que equivalem a infravermelhos, ultravioleta, raios x, entre outros.

Acelerador UVX com estações de pesquisa. Fonte: LNLS

Nas palavras de Harry Westfahl Jr, diretor científico do projeto Sirius, o intuito dos experimentos com esse tipo de radiação é conhecer características dos materiais e olhá-los a fundo, fazendo uma analogia com a mesma função que um microscópio tem. Ao incidir-se o feixe de onda sobre certo material, uma proteína por exemplo, ele revela a estrutura do material em níveis muito pequenos, como micrométricos (1 × 10-6 metro) e nanômetros (1×10−9 metro), entre outros aspectos. É justamente por essa função que é necessário um maior e mais moderno acelerador do que o UVX. “É como se fosse um microscópio que tem uma magnificação de 10 vezes e eu precisasse de 100 ou de 1000 vezes. Então as informações que eu tenho hoje em dia são limitadas”, diz Harry.

Que importância esses aceleradores têm na minha vida?

Para se ter noção do impacto causado pelas pesquisas em aceleradores, é necessário olhar a longo prazo. “O maior impacto para nós, que estamos vendo tudo de longe, seriam os subprodutos dessas pesquisas”, afirma Reginaldo Abreu, professor de física do ensino médio que teve a chance de conhecer de perto o CERN. Entre os exemplos citados, está o surgimento da world wide web (nome do qual origina a sigla “www” no início das URLs), que foi criada como uma forma que pesquisadores de todo o mundo pudessem ajudar a processar os dados provenientes do LHC.

Já na esfera nacional, as pesquisas realizadas com o Sirius terão impacto, também a longo prazo, desde a medicina até a agricultura e energia. Produção de novos fármacos, novos tipos de diagnósticos, melhores métodos de extração de petróleo e criação de fertilizantes mais eficientes são apenas alguns dos benefícios que poderão ser gerados conhecendo-se melhor a estrutura e o material com que se está trabalhando. Além disso, a elaboração de métodos mais eficientes também cai no nosso bolso, visto que geram barateamento dos processos.

Outra importância destacada por Harry é o desenvolvimento nacional, visto que a grande maioria da tecnologia usada no projeto Sirius é brasileira e que empresas nacionais estão aprendendo técnicas mais avançadas que logo refletirão no mercado. A integração entre diversos países trabalhando em um projeto em comum, como acontece dentro do CERN e com o LHC, também se encaixa nesse impacto social, lembra Reginaldo.

Apesar de tudo, o que realmente move as pesquisas em aceleradores ou tantos outros instrumentos científicos é o desejo por entender um pouco mais sobre o mundo que nos cerca, mesmo que nunca possamos alcançar todo o conhecimento. Citando a ideia de Eduardo Galeano, Reginaldo expressa uma frase que representa, de certa forma, os avanços científicos: “Por que você caminha em direção à utopia se sabe que ela nunca vai ser alcançada? Porque isso é o que me mantém caminhando”.

Visão aérea da localização do LHC com suas estações de experimentos. Fonte: CERN